基于单片机的多功能测量系统的设计

张小云 裴腾达

摘 要：针对温室大棚的环境智能监测研究，本文设计了一种以STC89C52RC单片机为控制核心的多功能测量系统。通过对系统的单片机和PC机进行联调，实现了对温室内光照度、温度和湿度等重要环境因子的监测及实时显示以及对声光报警电路的控制，温度的偏差控制在±0.5℃，湿度的偏差控制在±5%RH，光照度的偏差控制在±1lx。

关键词：单片机；温度；湿度；光照度

中图分类号：TP274 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

温室大棚是设备农业的一种形式，国产温室每年都在以新增100—150万公顷的面积快速地发展[1]。温湿度和光照度是农业温室生产中非常关键的测量参数，它们的准确、及时测量将会对农业生产和研究带来非常大的帮助。温室环境测量技术运用计算机辅助系统测量温室中的温度、CO2浓度等环境因子，以达到对温室内环境的测控要求[2]。智能温室的大力推广，对于我们运用科学技术服务“三农”、建设美丽中国具有非常重要的意义。

针对我国的现代化温室智能控制水平相对落后的现状，结合某公司的智慧农业项目，我们采用单片机技术和虚拟仪器技术设计了该温室环境监测系统。由于本系统遵循了操作简便、较高可靠性、便于维护和性价比高的设计原则，因此对于实际应用到工农业环境因子监测方面也会有优异的效果。

2 总体方案设计（The overall program design）

本系统的下位机是由STC89C52RC单片机系统为控制中心，加上DHT11、DS18B20、BH1750三个传感器模块以及按键控制数码管显示和声光报警等模块组成的；上位机是由美国国家仪器（NI）公司的软件LabVIEW[3]为基础开发的一个用户图形接口。要求达到的技术指标：测温范围：0—50℃；测湿范围：20%—90%RH；测光范围：1—65535lx。

本系统的工作原理是：上电后，STC89C52RC单片机首先完成初始化工作。然后，系统自动采集温湿度、光照度传感器数据，最后通过单片机的串行口和RS-232总线通信协议将采集的数据传送到上位机显示、处理，上位机对报警参数进行设计并控制相应声光报警电路报警，同时通过三个不同按键控制相应数码管显示。整个系统采用单总线技术和I2C总线控制技术，单片机采用C语言编程，PC机采用G语言编程。

3 温室环境测量系统的硬件电路设计（The

hardware circuit design of greenhouse

environment monitoring system）

3.1 环境因子采集电路的设计

传感器作为温室设备准确控制的首要条件，它的正确选取是进行自动控制的关键环节。我们根据本文要求的技术指标，选择具有长期稳定性且性价比的数字式传感器。

（1）温度采集电路的设计

大部分温室环境控制设备如供热设备、遮阳布等都与温度控制相关，因此，温度测量是温室环境控制的关键。本文选择达拉斯公司生产的DS18B20单总线数字温度传感器[4]。DS18B20数字温度传感器体积小、精度高、使用寿命长，适用于本文需要高可靠性的系统。单片机和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线），可使用单片机的一般I/O口P2.0。它的测温范围满足本文0—50℃的测温需求。

（2）湿度采集电路的设计

为了使湿度传感器与单片机的通信更加方便，也为了增强系统的抗干扰性能，我们在此选用DHT11数字温湿度传感器[5]测量本系统的湿度数据。DHT11设置了校准参数，所以测得的数据十分可靠。它采用单线制串行接口，这样使得电路的设计更加简单，并且它的体积超小、功耗极低。DHT11可测湿范围为20%—90%RH，测湿精度为±5%RH，满足本文测湿要求。

（3）光照度采集电路的设计

在合适的条件下增加光照度，能够增强高纬度缺光地区温室内作物的光合作用，提高光照度不足的地区农作物的产量。温室中主要使用光照度传感器检测棚内的光照度，然后采取适当的措施增加或减少光照度。本文采用日本罗姆半导体公司生产的BH1750光强度传感器。BH1750是一种基于I2C的数字型光强度传感器集成电路[6]。它能以较高的探测分辨率分辨很大的光强度变化区间（1lx-65535lx），并且接口电路非常简单，BH1750只需将SCL和SDA分别接单片机的P2.2和P2.3即可。如果系统中有多片BH1750相级联，则每两片IC可以并用这两个I/O端口，然后其中一片IC的ADDR接低电平，另一片的接高电平即可[7]。

3.2 单片机的设计

本系统采用的STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的增强型8051单片机[8]，它的时钟晶振电路用于产生时钟信号，来控制单片机内部的各种微操作，本文我们设计晶振为11.0592MHz。复位对单片机来说，是准备工作，此时程序还没开始执行。STC89C52RC单片机及其连接的晶振电路和复位电路如图1所示。

3.3 其他外围电路的设计

（1）按键控制电路

单片机组成的各种硬件电路中，按键是最常见的人机交互输入方式。本文通过三个触发式按键一对一的连接单片机的三个输入口，实现对温湿度和光照度数码管亮灭一对一的控制。具体的控制过程我们需要通过用C语言编程来实现。

（2）MAX7219数码管驱动显示电路

MAX7219是一种集成化的共阴极显示驱动器，它连接单片机和7段共阴极数码管显示。MAX7219可以通过编写控制码对数码管进行亮度控制。另外，本文我们选用三个四位一体的共阴极数码管[9]来显示实时采集到的温室内的亮度和温湿度。

（3）声光报警电路

声光报警电路模块由蜂鸣器报警电路和发光二极管报警电路两部分构成。当室内的温湿度和光照度传感器测量的数据在正常范围内时，发光二极管处在熄灭的状态，蜂鸣器也不会发出响声；但是当温湿度和光照度不在设定值范围时，三者对应的发光二极管会被点亮，蜂鸣器也会发出嘀嘀的声响，以此来提醒用户采取相关措施。

4 系统的软件设计（The system software design）

4.1 主程序流程图和串口处理流程图

主程序是系统运行的总体框架[10]，它规定了单片机按照怎样的操作步骤进行有序运转。串口处理程序表明上位机与单片机之间约定好的通信方式，通过此程序可以实现上下位机之间数据的互联互通。如图2所示为本系统的主程序流程图和串口处理流程图。

communication

4.2 测量系统程序设计

DS18B20通过单总线协议跟单片机进行数据传递。测温子程序运行时，首先初始化DS18B20，此时显示温度为+85℃，然后对单片机进行写数据操作，在进行温度转换后将温度数据读出来，最后通过按键控制在相应数码管上实时显示温度数据。

单片机通过单总线协议对DHT11进行读写。测湿程序开始后，先延时180ms，然后将总线拉高40us，主机设为输入模式等待从机响应。当从机变为低电平时，完成数据的接收、检验和处理，然后结束子程序。

BH1750可以通过I2C总线协议跟单片机进行数据通信。本文设定BH1750工作在连续高分辨率模式，测量开始后，先对BH1750初始化，然后延时180ms，接着连续读取数据并进行处理。程序的执行严格按照读写时序进行。

4.3 上位机程序设计

（1）数据采集模块

LabVIEW通过VISA串口驱动程序与单片机进行通信。将串口设置成符合系统要求的参数，为了界面的布局将串口通信部分隐藏。系统的通信模式为上位机为主，下位机为从。报警限设置用于设置温湿亮度的上下门限值，上位机有三个报警控件，默认为绿色，报警时显示红色。当从串口接收的数值超过设定的报警门限值时，上位机向单片机发送数据，启动报警。每路均设有报警指示灯，用来提醒系统管理者注意。数据显示存储用于提取从串口传输的数据，并以文本和曲线图的形式显示。图3为上位机采集图。

（2）数据分析和管理

这两个模块主要应用到是LabVIEW中数据工具包，利用SQL实现了与数据库Access的融合，能完成采集数据的存储、查询、删除和分析。数据分析模块用于对选择的日期进行分析计算，得出最大值、最小值、均值和超限次数。数据管理用于查询数据库中的表格：设定的参数、温湿度和光照度数值，对这些表格进行查询、删除或导出。

5 结论（Conclusion）

经实验验证，基于STC89C52RC单片机的温室环境多功能测量系统测量精度高，测量偏差在要求范围内，系统运行稳定可靠，通过串口协议实现上下位机间的通信，再加上上下位机软件编程能够实现温室内的温湿度、光照度情况的实时就地监控和网络监测和管理。将此系统应用于现代温室大棚中，对作物的科学生产具有很好的使用价值，并且提高了农业技术人员的现代化管理水平，具有良好的推广价值。

参考文献（References）

[1] 方玉鑫.基于单片机的温湿度控制系统的研究与应用[D].哈

尔滨工程大学硕士学位论文，2012.

[2] 苏全义，等.基于PIC单片机的智能温室环境控制系统[J].农机

化研究，2009（12）：186-188.

[3] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4] DS18B20中英文资料[Z].广州奥松电子有限公司，2009.

[5] DHT11数据手册[Z].广州奥松电子有限公司，2009.

[6] BH1750中文数据手册[Z].罗姆半导体有限公司，2010.

[7] 王建，毛腾飞，陈英革.基于BH1750芯片的测光系统设计与实

现[J].常熟理工学院学报（自然科学），2011（2）：117-120.

[8] STC89C52RC单片机用户手册[Z].深圳宏晶科技有限公司，

2013.

[9] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发

[M].北京：电子工业出版社，2009.

[10] 李星沛.基于Web的温室远程监控的设计[J].微型机与应用，

2013（19）：4-6.

作者简介：

张小云（1989-），女，硕士生.研究领域：无线通信技术.

裴腾达（1984-），男，本科，助教. 研究领域：无线通信系统.